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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNG
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Diese
Anmeldung bezieht sich auf die japanische Patentanmeldung Nr. 2006-163522, die am 13. Juni
2006 eingereicht wurde, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen
ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für einen
Synchronmotor und bezieht sich insbesondere auf eine Steuervorrichtung ohne
Positionssensor, die fähig
ist, einen Synchronmotor mit einer Magnetrotorstruktur zu steuern,
ohne einen Positionssensor zum Erfassen einer Position eines Magnetpols
eines Rotors des Synchronmotors zu verwenden.
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2. BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
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Verschiedene
Steuerverfahren zum Steuern eines Synchronmotors eines Permanentmagnettyps, ohne
einen Positionssensor zu verwenden, sind bekannt. Ein Beispiel ist
das so genannte „120-Grad-Induktionsspannungsverfahren", bei dem die Rotormagnetpolposition
auf der Basis eines Nulldurchgangs einer induzierten Spannung in
einer 60-Grad-Sperrzeit geschätzt
wird. Ein anderes Beispiel ist das so genannte „erweiterte Induktionsspannungsverfahren", bei dem eine induzierte
Spannung theoretisch berechnet wird, um die Rotormagnetpolposition
zu schätzen
(siehe beispielsweise „Position
and Velocity Sensorless Controls of Cylindrical Brushless DC Motors
Using Distur bance Observers and Adaptive Velocity Estimators" von Zhiquian Chen
und vier Anderen, T. IEE Japan, Band 118-D, Nr. 7/8, '98, S. 828-835).
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Das
120-Grad-Induktionsspannungsverfahren hat jedoch dahingehend ein
Problem, dass, da die Sperrzeit vorgesehen werden muss und die Erregungswellenform
rechteckig ist, der Wirkungsgrad niedrig ist und eine Vibration
groß ist.
Andererseits liefert das erweiterte Induktionsspannungsverfahren einen
hohen Wirkungsgrad und bewirkt keine große Vibration, da die Erregungswellenform
sinusförmig ist.
Dasselbe hat jedoch dahingehend ein Problem, dass, da die Rechenlast
hoch ist, ein teurer Hochleistungs-Mikrocomputer benötigt wird,
und ferner Arbeitsstunden benötigt
werden, um geschätzte
Verstärkungen
und Vorrichtungskonstanten anzupassen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Steuervorrichtung ohne Positionssensor
zum Steuern eines Synchronmotors mit einer Permanentmagnet-Rotorstruktur
durch Erzeugen von Grundspannungsvektoren, die verwendet werden,
um EIN/AUS-Zustände
von Schaltvorrichtungen, die in einer Wechselrichterschaltung derselben
umfasst sind, zu bezeichnen, mit:
einem Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt, der
eine Änderungsrate
eines Phasenstroms, der durch den Synchronmotor fließt, als
eine Stromänderungsrate
erfasst, wenn ein vorbestimmter der Grundspannungsvektoren erzeugt
wird; und
einem Rotormagnetpolpositions-Schätzabschnitt, der eine Drehposition
eines Rotors des Synchronmotors auf der Basis der durch den Stromänderungsrateraten-Erfassungsabschnitt
erfassten Stromänderungsrate
als eine Rotormagnetpolposition schätzt.
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Da
es möglich
ist, einem Synchronmotor einen Strom durch eine sinusförmige Welle
zuzuführen,
kann der Synchronmotor gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem hohen Wirkungsgrad und geräuscharm angetrieben werden.
Zusätzlich
tritt, da die vorliegende Erfindung eine geringere Rechenlast erfordert
als das herkömmliche
erweiterte Induktionsspannungsverfahren, bei dem die induzierte
Spannung theoretisch berechnet wird, keine Steuerverzögerung auf.
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Der
Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
kann die Stromänderungsrate
erfassen, wenn ein Nullspannungsvektor erzeugt wird, so dass der Phasenstrom
lediglich durch eine induzierte Spannung bewirkt wird.
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Die
Steuerung ohne Positionssensor der Erfindung kann konfiguriert sein,
um eine zweiphasige Modulationssteuerung durchzuführen.
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Der
Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
kann die Stromänderungsrate
erfassen, wenn ein Nicht-Null-Spannungsvektor erzeugt wird, so dass
der Phasenstrom durch eine induzierte Spannung und eine Stromversorgungsspannung
des Synchronmotors bewirkt wird.
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Die
Steuervorrichtung ohne Positionssensor der Erfindung kann ferner
einen Speicher zum Speichern der Stromänderungsrate, die durch den
Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
erfasst wird, wenn der Nicht-Null-Spannungsvektor während eines
Null-Drehzahl-Betriebs
des Synchronmotors erzeugt wird, als eine Null-Drehzahl-Stromänderungsrate
aufweisen, und der Rotormagnetpolpositions-Schätzabschnitt kann konfiguriert
sein, um die Null-Drehzahl-Stromänderungsrate,
die in dem Speicher gespeichert ist, von der Rotormagnetpolposition,
die durch den Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
nicht während
des Null-Drehzahl-Betriebs geschätzt
wird, zu subtrahieren.
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Der
Rotormagnetpolpositions-Schätzabschnitt
kann die Rotormagnetpolposition durch Erfassen einer Richtung eines
Nulldurchgangs der erfassten Stromänderungsrate schätzen.
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Der
Rotormagnetpolpositions-Schätzabschnitt
kann konfiguriert sein, um eine Drehzahl des Rotors auf der Basis
von Intervallen von Nulldurchgängen
der Stromände rungsrate,
die durch den Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
erfasst wird, zu schätzen
und die durch den Rotormagnetpolpositions-Schätzabschnitt geschätzte Rotormagnetpolposition
gemäß der geschätzten Drehzahl
des Rotors zu korrigieren.
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Die
Steuervorrichtung ohne Positionssensor der Erfindung kann ferner
eine den Phasenstrom erfassende Stromerfassungsschaltung aufweisen,
und der Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
kann die Stromänderungsrate
auf der Basis des durch die Stromerfassungsschaltung erfassten Phasenstroms erfassen.
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Die
Stromerfassungsschaltung kann den Phasenstrom auf der Basis eines
Spannungsabfalls über
mindestens eine der Schaltvorrichtungen erfassen.
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Die
Stromerfassungsschaltung kann den Phasenstrom auf der Basis eines
Stroms, der durch einen in mindestens einem von Phasenzweigen der Wechselrichterschaltung
vorgesehenen Nebenschlusswiderstand fließt, erfassen.
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Die
Stromerfassungsschaltung kann den Phasenstrom auf der Basis eines
Stroms, der durch einen in einer Gleichstromschiene der Wechselrichterschaltung
vorgesehenen Nebenschlusswiderstand fließt, erfassen.
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Die
Stromerfassungsschaltung kann den Phasenstrom auf der Basis von
Ausgangssignalen von in der Wechselrichterschaltung für jede Phase vorgesehenen
Stromsensoren erfassen.
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Die
Steuervorrichtung ohne Positionssensor der Erfindung kann ferner
einen A/D-Wandler
zum A/D-Wandeln des durch die Stromerfassungsschaltung erfassten
Phasenstroms aufweisen, und der Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
kann konfiguriert sein, um zu bewirken, dass der A/D-Wandler während einer
Periode, in der der vorbestimmte der Grundspannungsvektoren erzeugt wird,
zweimal in Betrieb ist, um die Stromänderungsrate auf der Basis
von zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen Werten des
Phasenstroms zu erfassen.
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Der
Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
kann zwei Abtast-Halte-Schaltungen zum Halten von zwei Werten des
Phasenstroms, die durch die Stromerfassungsschaltung während einer
Periode, in der der vorbestimmte der Grundspannungsvektoren erzeugt
wird, zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst werden, und eine
Differenzberechnungsschaltung zum Berechnen einer Differenz zwischen
den zwei in den zwei Abtast-Halte-Schaltungen gespeicherten Werten
des Phasenstroms umfassen, und kann konfiguriert sein, um die Stromänderungsrate
auf der Basis der Differenz, die durch die Differenzberechnungsschaltung
berechnet wird, zu erfassen.
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Der
Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
kann eine Differenzierschaltung zum Differenzieren des durch die
Stromerfassungsschaltung erfassten Phasenstroms umfassen, und kann
konfiguriert sein, um die Stromänderungsrate
auf der Basis einer Ableitung des aus der Differenzierschaltung ausgegebenen
Phasenstroms zu erfassen.
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Der
Rotormagnetpolpositions-Schätzabschnitt
kann konfiguriert sein, um die durch den Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
erfasste Stromänderungsrate
zu d-q-wandeln,
und die Rotormagnetpolposition auf der Basis eines Verhältnisses zwischen
einer d-Achsenkomponente und einer q-Achsenkomponente der d-q-gewandelten
Stromänderungsrate
zu schätzen.
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Der
Rotormagnetpolpositions-Schätzabschnitt
kann konfiguriert sein, um die durch den Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
erfasste Stromänderungsrate
zu d-q-wandeln und
die Rotormagnetpolposition auf einen Wert zu schätzen, bei dem eine d-Achsenkomponente
der d-q-gewandelten Stromänderungsrate
im Wesentlichen null wird.
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Der
Rotormagnetpolpositions-Schätzabschnitt
kann konfiguriert sein, um die durch den Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
erfasste Stromänderungsrate
zu d-q-wandeln und
die Rotormagnetpolposition auf einen Wert zu schätzen, bei dem ein Skalarprodukt
eines d-q-Komponenten-Vektors der d-q-gewandelten Stromänderungsrate
und eines Schätzpositionsvektors
des Rotors im Wesentlichen null wird.
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Der
Rotormagnetpolpositions-Schätzabschnitt
kann konfiguriert sein, um die durch den Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
erfasste Stromänderungsrate
zu α-β-wandeln und die Rotormagnetpolposition
auf der Basis eines Verhältnisses zwischen
einer α-Achsenkomponente
und einer β-Achsenkomponente
der α-β-gewandelten
Stromänderungsrate
zu schätzen.
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Der
Rotormagnetpolpositions-Schätzabschnitt
kann konfiguriert sein, um die durch den Stromänderungsraten-Erfassungsabschnitt
erfasste Stromänderungsrate
zu α-β-wandeln und die Rotormagnetpolposition
auf einen Wert zu schätzen,
bei dem ein Skalarprodukt eines α-β-Komponenten-Vektors
der α-β-gewandelten
Stromänderungsrate
und eines Schätzpositionsvektors
des Rotors im Wesentlichen null wird.
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Der
Rotormagnetpolpositions-Schätzabschnitt
kann konfiguriert sein, um die geschätzte Rotormagnetpolposition
gemäß dem zu
dem Synchronmotor fließenden
Phasenstrom zu korrigieren.
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Der
Rotormagnetpolpositions-Schätzabschnitt
kann konfiguriert sein, um eine Drehzahl des Rotors auf der Basis
der geschätzten
Rotormagnetpolposition zu schätzen,
die geschätzte
Drehzahl zu integrieren, wenn eine Periode, während der der vorbestimmte
der Grundspannungsvektoren erzeugt wird, kürzer als ein vorbestimmter
Wert ist, und die Rotormagnetpolposition auf der Basis eines Integrationsresultats
der geschätzten
Drehzahl zu schätzen.
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Andere
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
einschließlich
der Zeichnungen und Ansprüche
offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 ein
Schaltungsdiagramm, das eine elektrische Struktur einer Synchronmotor-Steuervorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt;
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2 ein
Diagramm, das Grundspannungsvektoren zeigt;
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3 ein
Diagramm, das Beziehungen zwischen einer Rotormagnetpolposition,
einer induzierten U-Phasen-Spannung, einem U-Phasen-Strom und einer Steigung des
U-Phasen-Stroms, wenn ein Nullspannungsvektor erzeugt wird, zeigt;
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4A bis 4D Diagramme,
die jeweils einen Spannungszustand eines Synchronmotors, wenn ein
Spannungsvektor erzeugt wird, zeigen;
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5 eine
grafische Darstellung, die eine Modifizierungsrate hinsichtlich
eines Phasenwinkels für
jede Phase zeigt;
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6 eine
grafische Darstellung, die eine Variation einer Stromwelle um einen
120-Grad-Phasenwinkel zeigt;
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7 ein
Flussdiagramm, das einen Fluss eines Rotormagnetpolpositions-Schätzverfahrens zeigt;
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8 ein
Zeitdiagramm, das Beziehungen zwischen der Rotormagnetpolposition,
den induzierten Phasenspannungen einer U-Phase, einer V-Phase und
einer W-Phase und den Steigungen eines U-Phasen-Stroms, eines V-Phasen-Stroms
und eines W-Phasen-Stroms,
wenn der Nullspannungsvektor erzeugt wird, zeigt;
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9 ein
Diagramm, das Beziehungen zwischen der Rotormagnetpolposition, der
induzierten U-Phasen-Spannung, dem U-Phasen-Strom und der Steigung des U-Phasen-Stroms,
wenn ein Nicht-Null-Spannungsvektor erzeugt wird, zeigt;
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10 ein
Diagramm, das eine Struktur einer Variante des in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiels,
bei der eine Phasenstromerfassung unter Verwendung von jeweils unter
einem U-Phasen-Zweig, einem
V-Phasen-Zweig und einem W-Phasen-Zweig vorgesehenen Nebenschlusswiderständen durchgeführt wird,
zeigt.
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11 ein
Diagramm, das eine Struktur einer Variante des in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiels,
bei der eine Phasenstromerfassung unter Verwendung eines einzelnen
in einer Gleichstromschiene einer Wechselrichterschaltung vorgesehenen
Nebenschlusswiderstands durchgeführt
wird, zeigt;
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12 eine
Tabelle, die Beziehungen zwischen den Grundspannungsvektoren, den
Schaltmustern von Schalttransistoren der Wechselrichterschaltung
und den erfassten Phasenströmen
zeigt;
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13 ein
Diagramm, das eine Struktur einer Variante des in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiels,
bei der die Phasenstromerfassung unter Verwendung von jeweils in
der U-Phase und der V-Phase vorgesehenen Stromsensoren durchgeführt wird, zeigt;
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14 ein
Diagramm, das eine Struktur einer Variante des in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiels,
bei der zwei Abtast-Halte-Schaltungen zum Halten eines erfassten
Stromwerts und eine Differenzberechnungsschaltung vorgesehen sind,
zeigt;
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15 ein
Diagramm, das eine Struktur einer Variante des in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiels,
bei der eine Differenzierschaltung zum Differenzieren des erfassten
Stromwerts vorgesehen ist, zeigt;
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16 ein
Diagramm zum Erklären
einer d-q-Wandlung; und
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17 ein
Diagramm zum Erklären
einer α-β-Wandlung.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
DER ERFINDUNG
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1 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine elektrische Struktur einer Synchronmotor-Steuervorrichtung 1 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt.
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Die
Synchronmotor-Steuervorrichtung 1 ist durch eine Wechselrichterschaltung 2,
eine Gleichstromquelle 3, einen Mikrocomputer 4 einschließlich eines
A/D-Wandlers zum Erfassen von Phasenströmen und Stromerfassungsschaltungen 8u, 8v, 8w, die
jeweils durch einen Operationsverstärker gebildet sind, gebildet.
Die Wechselrichterschaltung 2 führt jeweils einer U-Phase,
einer V-Phase und einer W-Phase eines Synchronmotors M mit einer
Permanentmagnet-Rotorstruktur einen elektrischen Strom zu. Die Gleichstromquelle 3 führt der
Wechselrichterschaltung 2 einen elektrischen Strom zu.
Der Mikrocomputer 4 erzeugt ein PWM-Signal, das eine relative
Einschaltdauer hat, die von einem äußeren Befehl, der eine Wechselrichterausgangsspannung
bezeichnet, abhängt.
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Die
Wechselrichterschaltung 2 ist eine Dreiphasen-Wechselrichterschaltung
mit einer Struktur, bei der 6 Stromschaltvorrichtungen zwischen
einer Gleichstromschiene 2a und einer Gleichstromschiene 2b brückengeschaltet
sind. Die sechs Schaltvorrichtungen umfassen einen Leistungs-MOSFET
(auf den im Folgenden einfach als Transistor Bezug genommen ist) 2u,
der über
einem U-Phasen-Zweig angeordnet ist, einen Transistor 2x,
der unter dem U-Phasen-Zweig angeordnet ist, einen Transistor 2v, der über einem
V-Phasen-Zweig angeordnet ist, einen Transistor 2y, der
unter dem V-Phasen-Zweig angeordnet ist, einen Transistor 2w,
der über
einem W-Phasen-Zweig angeordnet ist, und einen Transistor 2z,
der unter dem W-Phasen-Zweig angeordnet ist.
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Die
Stromerfassungsschaltung 8u ist in Betrieb, um einen Phasenstrom,
der durch den U-Phasen-Zweig geht, auf der Basis eines Spannungsabfalls über den
Transistor 2x, der unter dem U-Phasen-Zweig angeordnet
ist, zu erfassen. Die Stromerfassungsschaltung 8v ist in
Betrieb, um einen Phasenstrom, der durch den V-Phasen-Zweig geht,
auf der Basis eines Spannungsabfalls über den Transistor 2y,
der unter dem V-Phasen-Zweig
angeordnet ist, zu erfassen. Die Stromerfassungsschaltung 8w ist
in Betrieb, um einen Phasenstrom, der durch den W-Phasen-Zweig geht,
auf der Basis eines Spannungsabfalls über den Transistor 2z,
der unter dem W-Phasen-Zweig angeordnet ist, zu erfassen.
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Als
Nächstes
ist eine Erklärung
angegeben, wie das PWM-Signal unter Verwendung eines Raumvektorverfahrens
erzeugt wird. Das Raumvektorverfahren ist ein Verfahren, bei dem
ein Befehlsspannungsvektor durch Grundspannungsvektoren, die zum
Bestimmen von EIN/AUS-Zuständen
der sechs Schalttransistoren verwendet werden, dargestellt ist. Die
Grundspannungsvektoren umfassen 8 Arten von Vektoren, um eine von
8 (= 23) EIN/AUS-Kombinationen der sechs
Schalttransistoren zu bezeichnen. Wie in 2 gezeigt
ist, umfassen die Grundspanungsvektoren 6 Spannungsvektoren
V1 bis V6 mit dem gleichen Absolutwert und Richtungen in 60-Grad-Intervallen
und zwei Nullspannungsvektoren V0, V7 mit dem Absolutwert null.
Diese 8 Vektoren (Sa, Sb, Sc) entsprechen 8 Schaltmodi.
Wenn die Schalttransistoren 2u, 2v, 2w auf
der positiven Phasenseite einzuschalten sind, werden die Vektorelemente
Sa, Sb, Sc jeweils auf 1 eingestellt. Wenn die Schalttransistoren 2x, 2y, 2z auf
der negativen Phasenseite einzuschalten sind, werden die Vektorelemente
Sa, Sb, Sc jeweils auf 0 eingestellt. Bei die sem Ausführungsbeispiel
wird eine Dreiphasen-PWM-Spannung unter Verwendung einer Kombination
dieser 8 Grundspannungsvektoren erzeugt.
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Als
Nächstes
ist eine Erklärung
eines Prinzips zum Schätzen
einer Magnetpolposition eines Rotors des Synchronmotors M auf der
Basis einer Änderung
des Phasenstroms jeder Phase angegeben. 3 ist ein
Zeitdiagramm, das Beziehungen zwischen der Rotormagnetpolposition,
einer induzierten U-Phasen-Spannung, einem U-Phasen-Strom und einer Steigung
des U-Phasen-Stroms (oder einer Änderungsgröße des U-Phasen-Stroms pro
einem vorbestimmten Zeitintervall), wenn der Spannungsvektor V0
erzeugt wird, zeigt. In 3 ist der U-Phasen-Strom während Perioden,
in denen jeweils der Nullspannungsvektor V0 oder V7 erzeugt wird,
durch dicke Linien und während
Perioden, in denen jeweils einer der Nicht-Null-Spannungsvektoren
V1 bis V6 erzeugt wird, durch dünne
Linien gezeigt. 4A bis 4D sind
Diagramme, die einen Spannungszustand von jeder Phase, wenn der Spannungsvektor
V0, der Spannungsvektor V7, der Spanungsvektor V1 und der Spanungsvektor
V2 jeweils erzeugt werden, zeigen.
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Wie
in 3 gezeigt ist, kann die Rotormagnetpolposition,
da es eine Korrelation zwischen der Rotormagnetpolposition und der
induzierten Phasenspannung gibt, durch ein Erfassen der induzierten Phasenspannung
geschätzt
werden. Wie in 3 zu sehen ist, gibt es während der
Periode, in der der Nullspannungsvektor V0 oder V7 erzeugt wird,
eine Korrelation zwischen der induzierten Spannung und der Steigung
des Phasenstroms (der Änderungsgröße des Phasenstroms
pro einem vorbestimmten Intervall), da jede Phase in einem kurzgeschlossenen Zustand
(siehe 4A, 4B) ist,
und demgemäß fließt während dieser
Periode in jeder Phase ein Strom, der von der induzierten Spannung
abhängt. Demgemäß wird es
durch ein Erfassen der Steigung des Phasenstroms, wenn der Nullspannungsvektor erzeugt
wird, möglich,
die induzierte Spannung zu erfassen und die Rotormagnetpolposition
zu schätzen. Nebenbei
bemerkt fließt
während
der Periode, in der einer der Nicht-Null-Spannungsvektoren V1 bis
V6 erzeugt wird, in jeder Phase ein Strom, der von einer Summe der
induzierten Spannung und einer Stromversorgungsspannung Vdc abhängt (siehe 4C, 4D).
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Als
Nächstes
ist ein Beispiel einer Stromwellenvariation in der Wechselrichterschaltung 2 erklärt. 5 ist
eine grafische Darstellung, die eine Modulationsrate hinsichtlich
eines Phasenwinkels für
jede Phase zeigt. 6 ist eine grafische Darstellung,
die eine Variation einer Stromwelle um einen 120-Grad-Phasenwinkel
(um einen in 5 durch eine gestrichelte Linie
umgebenen Bereich) zeigt. In dieser grafischen Darstellung sind
eine Modulationsrate (eine Einschaltdauer), ein Schaltzustand, ein Spannungsvektormuster,
eine induzierte Spannung und eine Wechselstromkomponente der Stromwelle für jeweils
die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase gezeigt. Eine in 6 gezeigte
U-Phasen-Stromwellenkomponente, wenn der Nullspannungsvektor V0
oder V7 erzeugt wird, entspricht dem in 3 gezeigten
dicken Linienabschnitt des U-Phasen-Stroms, und die in 6 gezeigte
Steigung des U-Phasen-Stroms, wenn der Nullspannungsvektor V0 oder
V7 erzeugt wird, entspricht der in 3 gezeigten
Steigung des U-Phasen-Stroms.
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Als
Nächstes
ist unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm von 7 und
ein Zeitdiagramm von 8 eine Erklärung eines Verfahrens zum Schätzen der
Rotormagnetpolposition angegeben.
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Dieses
Rotormagnetpolpositions-Schätzverfahren
beginnt durch ein Aufnehmen bei einem Schritt S1 eines Stromwerts,
der beim ersten Mal herum während
einer Periode, in der der Nullspannungsvektor V0 oder V7 erzeugt
wird, für
jeweils die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase erfasst wird. Genauer
gesagt erzeugt der Mikrocomputer 4 bei dem Schritt S1 eine
A/D-Wandlungs-Unterbrechung, um von jeder der Stromerfassungsschaltungen 8u, 8v, 8w den
erfassten Stromwert aufzunehmen und denselben zu A/D-wandeln. Bei
einem anschließenden
Schritt S2 wird ein bei einem zweiten Mal herum erfasster Stromwert
für jede
Phase aufgenommen. Das heißt,
der Mikrocomputer 4 erzeugt bei dem Schritt S2 wie bei
dem Schritt S1 eine A/D-Wandlungs-Unterbrechung, um von jeder der
Stromerfassungsschaltungen 8u, 8v, 8w den
erfassten Stromwert aufzunehmen und denselben zu A/D-wandeln. Danach
wird bei einem Schritt S3 der bei dem ersten Mal erfasste Stromwert
von dem bei dem zweiten Mal erfassten Stromwert subtrahiert, um
die Stromänderungsrate
(die Stromsteigung) für
jede Phase zu berechnen. Als Nächstes
wird bei einem Schritt S4 entschieden, ob die berechnete Stromänderungsrate
für sowohl
die U-Phase, die V-Phase als auch die W-Phase bei einem Nulldurchgangspunkt
(weiße Kreisabschnitte
in 8) ist oder nicht. Genauer gesagt, wenn das Vorzeichen
der Stromänderungsrate, die
das vorhergehende Mal berechnet worden ist, entgegengesetzt zu demselben
der Stromänderungsrate,
die dieses Mal berechnet worden ist, ist, wird entschieden, dass
die Stromänderungsrate,
die dieses Mal berechnet worden ist, bei dem Nulldurchgangspunkt
ist. Wenn bei dem Schritt S4 entschieden wird, dass die berechnete
Stromänderungsrate
bei dem Nulldurchgangspunkt ist, schreitet das Verfahren zu einem
Schritt S5, bei dem die Rotormagnetpolposition gemäß einem
Muster des Nulldurchgangs geschätzt
wird, fort. Wenn beispielsweise der Nulldurchgang, der aufgetreten
ist, derselbe von einem positiven Wert zu einem negativen Wert der U-Phasen-Stromänderungsrate
ist, wird die Rotormagnetpolposition auf 180 Grad geschätzt. Ähnlicherweise
wird, wenn der Nulldurchgang derselbe von einem negativen Wert zu
einem positiven Wert der W-Phasen-Stromänderungsrate ist, die Rotormagnetpolposition
auf 240 Grad geschätzt,
wenn derselbe einer von einem positiven Wert zu einem negativen
Wert der V-Phasen-Stromänderungsrate
ist, wird die Rotormagnetpolposition auf 300 Grad geschätzt, wenn
derselbe einer von einem negativen Wert zu einem positiven Wert
der U-Phasen-Stromänderungsrate
ist, wird die Rotormagnetpolposition auf null Grad geschätzt, wenn
derselbe einer von einem positiven Wert zu einem negativen Wert
der W-Phasen-Stromänderungsrate
ist, wird die Rotormagnetpolposition auf 60 Grad geschätzt, und
wenn derselbe einer von einem negativen Wert zu einem positiven
Wert der V-Phasen-Stromänderungsrate ist,
wird die Rotormagnetpolposition auf 120 Grad geschätzt. Wenn
bei dem Schritt S4 andererseits entschieden wird, dass die berechnete
Stromänderungsrate
nicht bei dem Nulldurchgangspunkt ist, kehrt das Verfahren zu dem
Schritt S1 zurück.
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Wie
im Vorhergehenden erklärt
ist, ist dieses Ausführungsbeispiel
konfiguriert, um die Änderungsrate
des Phasenstroms, der durch den Synchronmotor M fließt, zu erfassen,
wenn der Nullspannungsvektor erzeugt wird, und die Rotormagnetpolposition auf
der Basis der erfassten Stromänderungsrate
zu schätzen.
Diese Schätzung
basiert auf der Tatsache, dass jede Phase in dem kurzgeschlossenen
Zustand ist, und demgemäß wird der
Strom, der durch den Synchronmotor M fließt, während der Periode, in der der
Nullspannungsvektor erzeugt wird, lediglich durch die induzierte
Spannung bewirkt. Dieses Ausführungsbeispiel
erfordert im Gegensatz zu dem herkömmlichen 120-Grad-Induktionsspannungsverfahren,
bei dem die Rotormagnetpolposition auf der Bais des Nulldurchgangs
der induzierten Spannung in der 60-Grad-Sperrzeit geschätzt wird,
kein Vorsehen der Sperrzeit. Demgemäß kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel,
da es möglich
ist, dem Synchronmotor durch eine sinusförmige Welle einen Strom zuzuführen, der
Synchronmotor mit einem hohen Wirkungsgrad und geräuscharm
angetrieben werden. Zusätzlich
erfordert dieses Ausführungsbeispiel
eine geringere Rechenlast als das herkömmliche erweiterte Induktionsspannungsverfahren,
bei dem die induzierte Spannung theoretisch berechnet wird, um die
Rotormagnetpolposition zu schätzen,
und erfordert keine Arbeitsstunden zum Anpassen geschätzter Verstärkungen
und Vorrichtungskonstanten. Demgemäß tritt gemäß diesem Ausführungsbeispiel
keine Steuerverzögerung
auf, da die induzierte Spannung nicht theoretisch berechnet wird,
sondern direkt erfasst wird.
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Ferner
kann, da die Rotormagnetpolposition durch ein Erfassen des Nulldurchgangs
der Stromänderungsrate
geschätzt
wird, die Rotormagnetpolposition ohne ein Durchführen einer Berechnung in 60-Grad-Intervallen
geschätzt
werden.
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Es
ist vorzuziehen, die Periode, während
derer der Nullspannungsvektor erzeugt wird, auf einen ausreichend
großen
Wert einzustellen, um ein zuverlässiges
Erfassen der Änderungsrate
des Phasenstroms, der zu dem Synchronmotor M fließt, zu einem Zeitpunkt
außerhalb
einer Abklingzeit zu ermöglichen.
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Alternativ
kann der Nullvektor zu einem spezifischen Zeitpunkt erzeugt werden,
um eine Diagnosespannung zu erzeugen, um ein Erfassen der Stromänderungsrate,
selbst wenn das Modulationsverhältnis
so hoch ist, dass die Nullvektor-Erzeugungsperiode kürzer als
die Abklingzeit ist, zu ermöglichen.
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Es
ist vorzuziehen, eine Positionskorrektur abhängig von dem Wert und der Phase
des Stroms, der durch den Synchronmotor M fließt, durchzuführen, so
dass die Rotormagnetpolposition unter Berücksichtigung der Wirkung des
Spulenblindwiderstands weiter genau geschätzt werden kann.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
kann modifiziert sein, um den Synchronmotor M durch eine Zweiphasen-Modulationssteuerung,
bei der lediglich zwei der drei Phasen einer Schaltsteuerung unterworfen
sind, anzusteuern, um die Periode, in der der Nullspannungsvektor
von V0 erzeugt wird, zu verdoppeln, um dadurch den Bereich des Modulationsverhältnisses, innerhalb
dessen das Stromänderungsverhältnis erfasst
werden kann, auszuweiten.
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Selbstverständlich können an
dem im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiel verschiedene
Modifikationen vorgenommen sein.
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Obwohl
beispielsweise die Rotormagnetpolposition auf der Basis der Stromänderungsrate
geschätzt
wird, wenn der Nullspannungsvektor V0 oder V7 erzeugt wird, kann
dieselbe auf der Basis der Stromänderungsrate
erfasst werden, wenn der Nicht-Null-Spannungsvektor erzeugt wird. Bei diesem
Fall wird die Stromänderungsrate,
wenn der Nicht-Null-Spannungsvektor bei einem Null-Drehzahl-Betrieb
erzeugt wird, als eine Null-Drehzahl-Stromänderungsrate im Voraus in dem
Speicher des Mikrocomputers 4 gespeichert, und diese in
dem Speicher gespeicherte Null-Drehzahl-Stromänderungsrate wird von einer
erfassten Stromänderungsrate
subtrahiert. Die Rotormagnetpolposition wird dann auf der Basis
des Resultats dieser Subtraktion geschätzt. 9 ist ein
Zeitdiagramm, das Beziehungen zwischen der Rotormagnetpolposition,
der induzierten U-Phasen-Spannung,
dem U-Phasen-Strom und der U-Phasen-Stromsteigung, wenn der Nicht-Null-Spannungsvektor
erzeugt wird, zeigt. Wenn der Nicht-Null-Spanungsvektor erzeugt
wird, kann die Stromänderungsrate
auf der Basis der induzierten Spannung nicht erfasst werden, da
die induzierte Spannung und die Stromversorgungsspannung gemäß dem Vektormuster
auf den Motor angewendet werden. Während eines Null-Drehzahl-Betriebs hängt die
Stromänderungsrate
jedoch, da die induzierte Spannung null ist, ge mäß dem Vektormuster lediglich
von der Stromversorgungsspannung ab. Demgemäß wird es durch ein Speichern
dieser Stromänderungsrate
bei dem Null-Drehzahl-Betrieb in dem Speicher und ein Durchführen einer
Subtraktion dieser gespeicherten Stromänderungsrate von der nicht
während
des Null-Drehzahl-Betriebs erfassten Stromänderungsrate möglich, die
Stromänderungsrate
lediglich aufgrund der induzierten Spannung zu erfassen.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
kann modifiziert werden, um die Drehzahl auf der Basis der Zeitintervalle
der Nulldurchgänge
der Stromänderungsrate
zu schätzen
und die Rotormagnetpolposition auf der Basis der geschätzten Drehzahl
zu schätzen.
Gemäß dieser
Modifikation wird es möglich,
die Rotormagnetpolposition ebenfalls zu anderen Zeitpunkten als den
Nulldurchgangszeitpunkten (weiße
Kreisabschnitte in 8) zu schätzen.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
ist konfiguriert, um die Phasenströme auf der Basis der Spannungsabfälle der
Schaltransistoren der drei Phasenzweige der Wechselrichterschaltung 2 zu
erfassen, jedoch kann dieses Ausführungsbeispiel modifiziert
sein, um den Phasenstrom (die Phasenströme) auf der Basis des Spannungsabfalls
(der Spannungsabfälle)
des Schalttransistors (der Schalttransistoren) eines oder zweier
der drei Phasenzweige zu erfassen.
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Obwohl
der Phasenstrom in diesem Ausführungsbeispiel
auf der Basis der Spannungsabfälle der
Schalttransistoren der drei Phasenzweige der Wechselrichterschaltung 2 erfasst
wird, kann derselbe auf der Basis von Strömen, die durch Nebenschlusswiderstände, die über oder
unter den Phasen-Zweigen angeordnet sind, fließen, erfasst werden. 10 ist
eine Variante dieses Ausführungsbeispiels,
die konfiguriert ist, um die Phasenströme auf der Basis der Spannungsabfälle von
Nebenschlusswiderständen 10u, 10v, 10w,
die unter den Phasenzweigen angeordnet sind, zu erfassen.
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Dies
Variante kann modifiziert sein, um den Phasenstrom (die Phasenströme) auf
der Basis des Spannungsabfalls (der Spannungsabfälle) eines oder zweier der
Nebenschlusswiderstände 10u, 10v, 10w zu
erfassen.
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Ferner
kann der Phasenstrom auf der Basis eines Stroms erfasst werden,
der durch einen einzelnen Nebenschlusswiderstand 11, der
in der Gleichstromschiene 2b der Wechselrichterschaltung 2,
wie in 11 gezeigt ist, vorgesehen ist,
fließt.
Als Nächstes
ist unter Bezugnahme auf eine Tabelle von 12 eine
Erklärung
der Beziehungen zwischen den Grundspannungsvektoren V1 bis V6, den
Schaltmustern der Schalttransistoren einer jeden Phase, die den
Grundspannungsvektoren V1 bis V6 entsprechen, und den auf der Basis
des Gleichstromschienenstroms erfassten Phasenströmen angegeben. Die
Nullspannungsvektoren V0, V7 sind aus der Tabelle von 12 ausgeschlossen,
da die Phasenstromerfassung während
der Periode, in der der Nullspannungsvektor V0 oder V7 erzeugt wird,
nicht durchgeführt
wird, da während
dieser Periode ein Umlaufmodus auftritt. Sowohl die U-Phasen-Zweig-Spalte,
die V-Phasen-Zweig-Spalte als auch die W-Phasen-Zweig-Spalte in
der Tabelle von 12 zeigen, ob der über dem
Phasenzweig angeordnete Schalttransistor oder der unter dem Phasenzweig
angeordnete Schalttransistor zu der Zeit eines Erzeugens des auf
der ganz linken Seite der Tabelle gezeigten Grundspannungsvektors
eingeschaltet werden sollte. In dieser Tabelle zeigt „Hoch", dass der über dem
Phasenzweig angeordnete Schalttransistor eingeschaltet werden sollte,
und „Niedrig" zeigt, dass der
unter dem Phasenzweig angeordnete Schalttransistor eingeschaltet
werden sollte. Die Spalte des erfassten Phasenstroms (Idc) zeigt,
welcher Phasenstrom dem Gleichstromschienenstrom gleich ist, wenn
der auf der ganz linken Seite der Tabelle gezeigte Grundspannungsvektor
erzeugt wird. In dieser Tabelle stellen „Iu", „Iv", „Iw" jeweils die Phasenströme, die
von dem Wechselrichter 2 zu der U-Phase, der V-Phase und
der W-Phase fließen,
dar, und „–Iu", „–Iv", „–Iw" stellen jeweils
die Phasenströme,
die zu dem Wechselrichter 2 von der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase
fließen,
dar. Gemäß dieser
Variante wird es möglich,
die Phasenstromerfassung unter Verwendung des einzelnen Nebenschlusswiderstandes 11,
der in der Gleichstromschiene vorgesehen ist, durchzuführen. Dies
ermöglicht,
die Struktur der Synchronmotor-Steuervorrichtung zu vereinfachen
und reduziert den Erzeugungsaufwand derselben.
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Wie
in 13 gezeigt ist, können zwei Stromwandler 12u, 12v jeweils
in zwei der drei Phasen (der U-Phase und der V-Phase in 13)
vorgesehen sein, um die Phasenströme zu erfassen. Alternativ
kann lediglich ein Stromwandler in lediglich einer der drei Phasen
vorgesehen sein, um den Phasenstrom zu erfassen.
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Das
im Vorhergehenden beschriebene Ausführungsbeispiel ist konfiguriert,
um die Stromänderungsrate
durch ein Aufnehmen der erfassten Stromwerte von der Stromerfassungsschaltung 8 zu
erfassen, indem bewirkt wird, dass der A/D-Wandler während der
Periode, in der der Nullspannungsvektor erzeugt wird, zweimal in
Betrieb ist. Dieses Ausführungsbeispiel
kann jedoch, wie in 14 gezeigt ist, modifiziert
sein, um zwei Abtast-Halte-Schaltungen 13a, 13b und
eine Differenzberechnungsschaltung 14 zum Berechnen einer
Differenz zwischen zwei erfassten Stromwerten, die jeweils in den
zwei Abtast-Halte-Schaltungen 13a, 13b zu unterschiedlichen
Zeitpunkten während
der Periode, in der der Nullspannungsvektor erzeugt wird, gehalten
sind, so dass die Stromänderungsrate
auf der Basis der berechneten Differenz erfasst werden kann, zu
umfassen.
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Alternativ
kann dieses Ausführungsbeispiel, wie
in 15 gezeigt ist, modifiziert sein, um eine Differenzierschaltung 15 zum
Differenzieren des durch die Stromerfassungsschaltung 8 erfassten Stromwertes,
so dass die Stromänderungsrate
aus der Ableitung des aus der Differenzierschaltung 15 ausgegebenen
erfassten Stromwertes erfasst werden kann, zu umfassen.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
kann modifiziert sein, um die Rotormagnetpolposition (Winkel 0)
aus einem Verhältnis
zwischen einer d-Achsen-Komponente und einer q-Achsen-Komponente
einer d-q-gewandelten Version der auf der Basis der Ausgabe der Stromerfassungsschaltung 8 erfassten
Stromänderungsrate
gemäß dem folgenden
Ausdruck (1) zu schätzen. 16 ist
ein Diagramm, das die d-Achsen-Komponente und die q-Achsen-Komponente
der erfassten Stromänderungsrate
zeigt. Um genau zu sein, ist die Stromänderungsrate in dieser Figur
auf einer tatsächlich
erfassbaren γ-δ-Achse gezeigt.
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Gemäß dieser
Modifikation kann die Rotormagnetpolposition kontinuierlich durch
eine einfache Berechnung unter Verwendung einer Arkustangensfunktion
geschätzt
werden. Zusätzlich
ermöglicht
diese Modifikation ein schnelles Ansprechen, da dieselbe keine Filter
benötigt.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
kann modifiziert sein, um die auf der Basis der Ausgabe der Stromerfassungsschaltung 8 erfasste
Stromänderungsrate zu
d-q-wandeln und die Rotormagnetpolposition auf einen Wert zu schätzen, bei
dem die d-Achsen-Komponente der d-q-gewandelten Stromänderungsrate gemäß dem folgenden
Ausdruck (2) im Wesentlichen null wird. θ = KpΔId + Ki∫ΔIddt (2)
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In
dem Ausdruck (2) sind KP und Ki Konstanten.
Gemäß dieser
Modifikation kann die Rotormagnetpolposition kontinuierlich durch
eine einfachere Berechnung als eine Arkustangensfunktion geschätzt werden.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
kann modifiziert werden, um die auf der Basis der Ausgabe der Stromerfassungsschaltung 8 erfasste
Stromänderungsrate
zu d-q-wandeln und die Rotormagnetpolposition auf einen Wert zu
schätzen,
bei dem das Skalarprodukt eines d-q-Komponenten-Vektors der Stromänderungsrate
und eines Schätzpositionsvektors
des Rotors gemäß dem folgenden
Ausdruck (3) im Wesentlichen null wird. θ = Kp(θ →·ΔI →) + Ki∫(θ →·ΔI →)dt (3)
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Gemäß dieser
Modifikation kann die Rotormagnetpolposition kontinuierlich durch
eine einfachere Berechnung als eine Arkustangensfunktion geschätzt werden.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
kann modifiziert werden, um die Rotormagnetpolposition aus einem Verhältnis zwischen
einer α-Achsen-Komponente und
einer β-Achsen-Komponente einer α-β-gewandelten
Version der auf der Basis der Ausgabe der Stromerfassungsschaltung 8 erfassten
Stromänderungsrate
zu schätzen. 17 ist
ein Diagramm, das die α-Achsen-Komponente
und die β-Achsen-Komponente
der erfassten Stromänderungsrate
zeigt.
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Gemäß dieser
Modifikation kann die Rotormagnetpolposition kontinuierlich durch
eine einfache Berechnung unter Verwendung einer Arkustangensfunktion
geschätzt
werden. Zusätzlich
ermöglicht
diese Modifikation ein schnelles Ansprechen, da dieselbe keine Filter
braucht.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
kann modifiziert sein, um die auf der Basis der Ausgabe der Stromerfassungsschaltung 8 erfasste
Stromänderungsrate zu α-β-wandeln
und die Rotormagnetpolposition auf einen Wert zu schätzen, bei
dem das Skalarprodukt eines α-β-Komponenten-Vektors
der Stromänderungsrate
und eines Schätzpositionsvektors
des Rotors im Wesentlichen null wird. θ = Kp(θ →·ΔI →) + Ki∫(θ →·ΔI →)dt (5)
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Gemäß dieser
Modifikation kann die Rotormagnetpolposition immer durch eine einfachere
Berechnung als eine Arkustangensfunktion geschätzt werden.
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Ferner
kann dieses Ausführungsbeispiel konfiguriert
sein, um eine Drehzahl des Rotors auf der Basis der geschätzten Magnetpolposition
zu schätzen
und die geschätzte
Drehzahl zu integrieren, so dass die Rotormagnetpolposition aus
dem Resultat der Integration geschätzt werden kann, wenn die Erzeugungsperiode
der Spannungsvektoren kleiner als ein vorbestimmter Wert ist. Gemäß dieser
Konfiguration kann die Rotormagnetpolposition bei einem Fall, bei
dem es nicht möglich
ist, die Rotormagnetpolposition auf der Basis der Stromänderungsrate
zu schätzen,
geschätzt
werden.
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Die
im Vorhergehenden erklärten
bevorzugten Ausführungsbeispiele
sind für
die Erfindung der vorliegenden Anmeldung, die allein durch die im
Folgenden beigefügten
Ansprüche
beschrieben ist, exemplarisch. Es versteht sich von selbst, dass
Modifikationen der bevorzugten Ausführungsbeispiele, wie dieselben,
die einem Fachmann einfallen würden, vorgenommen
sein können.
